昨日、今日、明日、電気自動車：パート3

「リチウムイオン電池」という言葉には、さまざまな技術が隠されています。

80つ確かなことは、リチウムイオンの電気化学がこの点で変わらない限りです。 リチウムイオンに匹敵する電気化学エネルギー貯蔵技術は他にありません。 ただし、要は、正極、負極、電解質に異なる材料を使用するさまざまな設計があり、それぞれに耐久性 (電気自動車の許容残存容量までの充放電サイクル数) の点で異なる利点があります。 XNUMX% の)、比電力 kWh/kg、価格ユーロ/kg、または電力対電力比。

昔に

いわゆる電気化学プロセスを実行する可能性。 リチウム イオン セルは、充電中にカソードのリチウム接合部からリチウム陽子と電子が分離されることで発生します。 リチウム原子はその XNUMX つの電子のうちの XNUMX つを容易に供与しますが、同じ理由で反応性が高く、空気や水から隔離する必要があります。 電圧源では、電子が回路に沿って移動し始め、イオンは炭素リチウム陽極に向けられ、膜を通過してそれに接続されます。 放電中、逆の動きが発生します。イオンはカソードに戻り、電子は外部電気負荷を通過します。 ただし、急速な大電流充電と完全放電により、新しい耐久性のある接続が形成され、バッテリーの機能が低下したり、停止したりすることさえあります。 粒子供与体としてリチウムを使用する背後にあるアイデアは、リチウムが最も軽い金属であり、適切な条件下で陽子と電子を容易に放出できるという事実に由来します。 しかし、科学者たちは、揮発性が高く、空気と結合する能力があり、安全上の理由から、純粋なリチウムの使用を急速に断念しています。

最初のリチウムイオン電池は 1970 年代に Michael Whittingham によって作成され、純粋なリチウムと硫化チタンを電極として使用しました。 この電気化学は現在では使用されていませんが、実際にはリチウムイオン電池の基礎を築いています。 1970年代、サマル・バスはグラファイトからリチウムイオンを吸収する能力を実証しましたが、当時の経験により、バッテリーは充放電するとすぐに自己破壊してしまいました。 1980 年代に、電池の正極と負極に適したリチウム化合物を見つけるために集中的な開発が始まり、1991 年に本当の進歩が起こりました。

NCA、NCM リチウム セル...それは実際には何を意味しますか?

1991年にさまざまなリチウム化合物を実験した後、科学者の努力は成功を収め、ソニーはリチウムイオン電池の大量生産を開始しました。 現在、このタイプのバッテリーは最高の出力とエネルギー密度を持ち、最も重要なこととして、開発の大きな可能性を秘めています。 バッテリーの要件に応じて、企業はさまざまなリチウム化合物をカソード材料として使用しています。 これらは、リチウム コバルト酸化物 (LCO)、ニッケル、コバルトおよびアルミニウム (NCA) またはニッケル、コバルトおよびマンガン (NCM) との化合物、リン酸鉄リチウム (LFP)、リチウム マンガン スピネル (LMS)、リチウム チタン酸化物 (LTO) です。その他。 電解質はリチウム塩と有機溶媒の混合物であり、リチウムイオンの「移動性」にとって特に重要であり、リチウムイオンを透過して短絡を防止する役割を担うセパレーターは通常、ポリエチレンまたはポリプロピレンです。

出力電力、静電容量、またはその両方

バッテリーの最も重要な特性は、比エネルギー、信頼性、安全性です。 現在生産されているバッテリーはこれらの品質を広範囲にカバーしており、使用される材料に応じて、比エネルギー範囲は 100 ～ 265 W/kg (エネルギー密度は 400 ～ 700 W/L) です。 この点で最も優れているのは NCA バッテリーであり、最悪の LFP です。 ただし、素材はコインの片面です。 比エネルギーとエネルギー密度の両方を高めるために、さまざまなナノ構造がより多くの物質を吸収し、イオン流の伝導率を高めるために使用されます。 安定した接続と伝導性で「保存」される多数のイオンは、より高速な充電の前提条件であり、開発はこれらの方向に向けられています。 同時に、バッテリーの設計は、ドライブの種類に応じて、必要な電力と容量の比率を提供する必要があります。 たとえば、プラグイン ハイブリッドでは、明らかな理由から、はるかに高い電力対容量比が必要です。 現在の開発は、NCA (カソードとグラファイトアノードを備えた LiNiCoAlO2) および NMC 811 (カソードとグラファイトアノードを備えた LiNiMnCoO2) 電池に焦点を当てています。 前者は（リチウム以外に）約 80% のニッケル、15% のコバルト、5% のアルミニウムを含み、比エネルギーは 200 ～ 250 W/kg です。これは、重要なコバルトの使用が比較的限定されており、寿命が最長 1500 年であることを意味します。 2020サイクル。 このようなバッテリーは、テスラによってネバダ州のギガファクトリーで生産されます。 計画のフル生産能力に達すると（状況に応じて 2021 年または 35 年に）、同工場は 500 万台の車両に電力を供給するのに十分な 000 GWh のバッテリーを生産する予定です。 これにより、バッテリーのコストがさらに削減されます。

NMC 811 電池は、比エネルギーがわずかに低い (140 ～ 200W/kg) ですが、寿命が長く、2000 回のフル サイクルに達し、ニッケル 80%、マンガン 10%、コバルト 10% で構成されています。 現在、すべてのバッテリー メーカーは、これら 2,8 つのタイプのいずれかを使用しています。 唯一の例外は、LFP バッテリーを製造する中国企業 BYD です。 それらを装備した車は重くなりますが、コバルトは必要ありません。 電気自動車には NCA バッテリーが、プラグイン ハイブリッド車には NMC が好まれます。これは、エネルギー密度と出力密度の点でそれぞれ利点があるためです。 例としては、出力/容量比が 8,5 の電動 e-Golf と、出力/容量比が XNUMX のプラグイン ハイブリッドの Golf GTE があります。 価格を下げるという名目で、VW はすべてのタイプのバッテリーに同じセルを使用する予定です。 そしてもうXNUMXつ-バッテリーの容量が大きいほど、完全な放電と充電の回数が少なくなり、これにより耐用年数が長くなります。したがって、バッテリーが大きいほど優れています。 XNUMXつ目は、問題としてのハイブリッドに関するものです。

市場動向

現在、輸送用バッテリーの需要は、すでに電子製品の需要を上回っています。 2020 年までに年間 1,5 万台の電気自動車が世界中で販売されると予測されており、これはバッテリーのコストを下げるのに役立ちます。 2010 年には、リチウムイオン電池の 1 kWh の価格は約 900 ユーロでしたが、現在は 200 ユーロを下回っています。 電池全体のコストの 25% が正極、8% が負極、セパレータ、電解質、16% が他のすべての電池セル、35% が電池設計全体です。 つまり、リチウム イオン セルは、バッテリーのコストの 65% を占めています。 Gigafactory 2020 がサービスを開始する 1 年のテスラの推定価格は、NCA バッテリーで約 300 ユーロ/kWh であり、価格には平均付加価値税と保証付きの完成品が含まれています。 まだかなり高い価格ですが、時間の経過とともに下落し続けます。

リチウムの主な埋蔵量はアルゼンチン、ボリビア、チリ、中国、米国、オーストラリア、カナダ、ロシア、コンゴ、セルビアで発見されており、現在その大部分は乾いた湖から採掘されています。 電池の蓄積が進むにつれて、古い電池からリサイクルされた材料の市場も増加するでしょう。 しかし、より重要なのはコバルトの問題です。コバルトは大量に存在しますが、ニッケルと銅の生産の副産物として採掘されます。 コバルトの採掘は、土壌中の濃度が低いにもかかわらず、コンゴ（利用可能な埋蔵量が最大である）で行われていますが、その条件は倫理、道徳、環境保護に疑問を投げかけます。

先端技術

近い将来の展望として採用された技術は、実際には根本的に新しいものではなく、リチウムイオンの亜種であることに留意する必要があります。 これらは、たとえば、液体の代わりに固体電解質（またはリチウムポリマー電池のゲル）を使用する全固体電池です。 このソリューションは、電極のより安定した設計を提供しますが、高電流で充電すると電極の完全性が損なわれます。 高温、高負荷。 これにより、充電電流、電極密度、容量を増加させることができます。 全固体電池はまだ開発の非常に初期段階にあり、XNUMX年代半ばまでに大量生産に入る可能性は低い。

アムステルダムで開催された 2017 BMW イノベーション テクノロジー コンペティションで受賞歴のある新興企業の 45 社は、より高いエネルギー密度を可能にするシリコン アノードを使用するバッテリー駆動の企業でした。 エンジニアは、アノードとカソードの両方の材料をより高密度で強力にするためのさまざまなナノテクノロジーに取り組んでおり、その解決策の XNUMX つはグラフェンを使用することです。 原子 XNUMX 個分の厚さと六角形の原子構造を持つこれらのグラファイトの微細な層は、最も有望な材料の XNUMX つです。 バッテリーセルメーカーSamsung SDIによって開発され、カソードとアノード構造に統合された「グラフェンボール」は、より高い強度、透過性、材料密度を提供し、それに対応して容量が約XNUMX%増加し、充電時間がXNUMX倍短縮されます。これらの技術は最も強力です。このようなバッテリーを搭載するのはおそらく初めてのフォーミュラ E カーからのブーストです。

この段階のプレイヤー

ティア 123 およびティア 2020 サプライヤー、すなわちセルおよびバッテリー メーカーとしての主なプレーヤーは、日本 (パナソニック、ソニー、GS ユアサ、日立ビークル エナジー)、韓国 (LG 化学、サムスン、Kokam、SK イノベーション)、中国 (BYD カンパニー) です。 . 、ATL および Lishen) および米国 (Tesla、Johnson Controls、A30 Systems、EnerDel および Valence Technology)。 現在、携帯電話の主なサプライヤーは、LG Chem、パナソニック、Samsung SDI (韓国)、AESC (日本)、BYD (中国)、CATL (中国) で、市場シェアの XNUMX 分の XNUMX を占めています。 ヨーロッパの現段階では、ドイツの BMZ Group とスウェーデンの Northvolth だけが反対しています。 XNUMX 年にテスラのギガファクトリーが立ち上げられると、この割合は変わります。アメリカの会社は、世界のリチウム イオン セル生産の XNUMX% を占めることになります。 ダイムラーや BMW などの企業は、ヨーロッパに工場を建設中の CATL など、これらの企業の一部とすでに契約を結んでいます。